Болотнов Игорь Анатольевич
Научный руководитель
: Ахатов Искандер Шаукатович, д.ф.-м.н., профессор, зав.каф. Механики сплош-ных сред математического факультета БашГУБашкирский Государственный Университет
, г.Уфа, Россия.Рассматривается движение твердой частицы, помещенной в сосуд с водой, в центре которого под действием акустического поля пульсирует воздушный пузырек.
Давление жидкости
, (1)
где
, (2)
в котором давление жидкости на границе с пузырьком задается выражением
,
где R, — текущий и начальный
радиус пузырька,
— плотность жидкости,
—
коэффициент поверхностного натяжения,
—
вязкость жидкости,
— показатель адиабаты
совершенного газа.
Запишем уравнение движения частицы, учитывая действующие на нее силы: тяжести, Архимеда, Бьеркнеса, присоединенной массы и вязкого сопротивления. Слагаемые, соответствующие этим силам, расположены в правой части уравнения (3) в указанной последовательности:
, (3)
где —радиус частицы (шарика),
— ее
объем,
— скорость частицы,
—
скорость жидкости около частицы.
Скорость жидкости зависит от сформированной сферической волны и радиальных колебаний пузырька. Используем следующее выражение для скорости жидкости:
,
которое получается исходя из уравнений сохранения массы, импульса, уравнения состояния для слабосжимаемой жидкости и уравнения (1).
Так как задача является
осесимметричной, представим уравнение (3) в
полярной системе координат (r,):
:
=
;
:
=
. (4)
Учитывая
уравнение Херринга-Флина (2) для нахождения
радиуса пузырька R и уравнения (4) для
определения координат частицы r и получим замкнутую систему трех
обыкновенных дифференциальных уравнений
второго порядка, которая численно решалась
методом Дормана-Принса [3].
На рис. 1. показан один цикл
периодических колебаний радиуса пузырька при R0=10-5 ,
=20 кГц,
P0 = 105 Па,
Па.
На рис. 2 показаны траектории
движения шарика (сплошные линии) при различных
начальных координатах, помеченных кружочками.
Колеблющийся пузырек находится в начале
координат. Расчеты проводились для шарика с
плотностью =2? 103
кг/м3 и радиусом
=10-5
м. Траектории шарика огибают колеблющийся
пузырек на расстоянии r*=0.55 мм. Эта
величина в 7 раз превышает максимальный радиус
колеблющегося пузырька. Расчеты были проведены
также для различных радиусов шарика при
сохранении той же плотности и начальных
координат. При увеличении радиуса шарика его
траектория не изменяется, а растет скорость
движения. При уменьшении плотности шарика с
сохранением начального радиуса его траектория
удаляется от пузырька на большее расстояние.
Таким образом, радиус сферы, окружающей пузырек,
куда не может проникнуть твердый шарик,
увеличивается при уменьшении плотности шарика и
не зависит от его радиуса. Эти выводы справедливы
для постоянного начального радиуса
колеблющегося пузырька и неизменного внешнего
периодического воздействия.
Литература
e-mail: asf@asf.e-burg.ru